用于运行具有轴系的机械设备的方法与流程

本发明涉及一种用于运行具有轴系的机械设备的方法。

背景技术：

机械设备，例如用于产生电流的发电厂，具有发电机和至少一个涡轮机，其中涡轮机驱动发电机。对此，涡轮机和发电机设置在共同的轴系上。可行的是：在轴系中设有联轴器，以便将各个涡轮机耦联到轴系中或者与轴系脱耦。

在发电厂运行时，发电机将电流馈入到电网中。电网中的电故障能够引起：经由发电机激发轴系的扭转振动。在最不利的情况下，在此能够造成轴系的固有频率中的一个的激发。在固有频率下的激发导致轴系的高的扭转的应力负荷，这能够导致降低其寿命或形成应力裂纹。可预期到：在电网中在未来更频繁地出现故障情况，因为在能量过渡计划期间电网的结构发生改变。

通常，测量轴系的负荷，其中在轴系的多个轴向位置处以高分辨率测量其转速。随后，从不同的轴向位置处的转速差中推导出轴系的负荷。然而，在该方法中，测量技术和所属的评估是耗费的。替选地可行的是：测量在发电厂的电能引出时的振动。然而，对于在能量引出时识别潜在激发的振动的情况，不能够得出轴系的实际负荷的结论。

DE 40 32 299 A1描述了一种用于监控可转动的构件的方法，其中与时间相关地测量构件的转动位置和相对于构件的径向方向的构件振动。EP 0 585 623 A2描述了一种用于及早识别旋转轴中的裂纹的方法。DE 27 34 396 A1描述了一种用于监控轴处的扭转振动的方法，其中测量发电机的瞬时功率。

技术实现要素：

本发明的目的是：实现一种用于运行具有轴系的机械设备的方法，其中能够通过扭转振动简单地检测轴系的负荷。

根据本发明的用于运行具有轴系的机械设备的方法具有如下步骤：a)以计算的方式确定轴系的至少一个扭转振动模式的固有频率，并且以计算的方式确定轴系的在扭转振动模式的振动周期期间出现的机械应力；b)借助对于相应的扭转振动模式以计算的方式确定的应力，对于每个扭转振动模式分别确定第一应力幅度和第二应力幅度之间的相互关系，所述第一应力幅度在轴系的易于形成应力损伤的位置处出现，所述第二应力幅度在轴系的测量部位处出现；c)对于该位置确定最大的第一应力幅度；d)借助相互关系，对于测量部位确定最大的第二应力幅度，所述最大的第二应力幅度相应于最大的第一应力幅度；e)在轴系旋转期间，在测量部位处与时间相关地测量轴系的应力；f)从所测量的应力中确定每个固有频率下的应力幅度；g)在如下情况下输出信号，即在从所测量的应力中确定的应力幅度在所述固有频率中的一个固有频率下达到最大的第二应力幅度的情况下。

通过从以计算的方式确定的应力中确定在测量部位和位置处出现的应力幅度之间的相互关系，能够有利地确定在轴系的对于测量无法达到的测量部位处的应力幅度。为了确定所述部位处的应力幅度，轴系处的唯一的测量部位是足够的，其中能够任意地选择测量部位。由此，能够有利简单地执行该方法。通过对于每个扭转模式分别确定相互关系，能够有利地以高的精度确定所述位置处的应力幅度。

关于信号能够采取一定措施，以便降低轴系的扭转振动。如果机械设备为用于将电流馈入电网中的发电厂，那么例如能够发生从电网中的激发和轴系的扭转振动之间的去同步。这例如能够通过如下方式进行，即通过一个涡轮机或多个涡轮机与轴系脱耦改变其固有频率。也可行的是：通过切断电导线将发电厂与电网脱耦。

优选地，在步骤e)中借助于磁致伸缩的传感器和/或借助于应变计测量应力，其中借助于应变计测量的应力借助于遥测技术传输。磁致伸缩的传感器借助于发射线圈产生高频磁场并且轴系的表面由磁场穿过。磁致伸缩的传感器具有一个或多个接收线圈，所述接收线圈与发射线圈形成磁路并且专门设置用于检测扭转应力。借助发射线圈和接收线圈的专门的布置能够确定轴系表面处的磁化率。因为体部的磁化率由于维拉里效应与其机械应力相关，所以由接收线圈检测的信号也与轴系表面的机械应力相关。磁致伸缩的传感器输出模拟输出信号，所述模拟输出信号与轴系的扭转应力成比例。通过输出信号与扭转应力的比例性，有利的是，数据处理仅是略微计算密集的，由此能够简单且快速地执行该方法。磁致伸缩的传感器还有应变计直接地确定轴系的应力，由此同样能够简单地执行该方法。

优选的是：在步骤f)中，借助于带通滤波器对在步骤e)中所测量的应力进行滤波，所述带通滤波器允许在固有频率周围设置的频率带通过，和/或执行对步骤e)中所测量的应力的傅里叶变换，尤其快速傅里叶变换。因此，能够有利地且简单地确定不同的扭转振动模式的应力幅度。在使用带通滤波器的情况下，在步骤g)中，在达到最大的第二应力幅度之后短时间内已经输出信号。在应用傅里叶变换或快速傅里叶变换的情况下，在计算结束之后输出信号。

优选的是：在步骤e)中测量多个设置在轴系的不同的轴向位置中的测量部位处的应力。在此，能够通过在多个测量部位中确定的固有频率的算数平均值实现固有频率的高的测量精度。此外能够发生：测量部位中的一个测量部位与扭转振动模式中的一个扭转振动模式的振动节点一致，由此借助该测量部位扭转振动模式是不可见的。通过设置多个测量部位，对于一个扭转振动模式而言全部振动节点位于所述测量部位上的概率是极其低的。因此，能够以高的概率检测全部相关的扭转振动模式。

在步骤f)中，优选对于所选择的扭转振动模式仅考虑如下扭转振动模式测量部位，所述测量部位对于所选择的扭转振动模式而具有在步骤a)中以计算的方式确定的最高的机械应力。由此，有利地在确定应力幅度时实现高的信噪比。优选地，在步骤f)中将所述应力幅度与固有频率中的一个固有频率相关联，其中形成在多个测量部位处的、在步骤f)中确定的应力幅度和/或振动相位的实验比，形成在多个测量部位处的以计算的方式确定的应力幅度和/或振动相位的计算比，并且将实验比与计算比进行比较。通过将实验比与计算比进行比较能够有利地以高的概率正确地确定其中轴系发生振动的扭转振动模式。

优选的是，在步骤a)中以计算的方式确定的固有频率低于或等于所述轴系的转动频率的2.5倍，或者在所述机械设备是用于供电的发电厂且电网频率高于所述转动频率的情况下，在步骤a)中以计算的方式确定的固有频率低于或等于所述电网频率的2.5倍。这些固有频率引起轴系的尤其强的应力负荷，使得所述频率的监控是尤其有利的。在步骤a)中，优选在以计算的方式确定固有频率和机械应力时，考虑轴系在机械设备运行时所具有的离心力负荷。因此，能够以高的精度确定第一应力幅度。在步骤b)中确定的在第一应力幅度和第二应力幅度之间的相互关系优选是比例关系。

在步骤c)中，优选对于所述位置确定附加的最大的第三应力幅度，所述附加的最大的第三应力幅度高于最大的第一应力幅度，在步骤d)中借助所述相互关系对于所述测量部位确定最大的第四应力幅度，所述最大的第四应力幅度相应于最大的第三应力幅度，并且在步骤g)中，在如下情况下输出停止信号：即在步骤f)中确定的应力幅度在固有频率下达到最大的第四应力幅度时，其中停止信号触发机械设备的关闭。因此，能够有利地自动抑制轴系的过高的应力负荷。

优选地，所述方法具有如下步骤：d1)对在轴处的磁致伸缩的传感器和/或应变计进行粗校准，所述轴借助于测试机加载有限定的应力。优选的是：机械设备具有发电机，并且执行具有如下步骤的方法：d2)在轴系旋转时，利用在测量部位处确定的应力对磁致伸缩的传感器和/或应变计进行精校准，利用由发电机输出的功率确定所述应力。能够从由发电机输出的功率中推导出转矩，发电机将转矩施加到轴系上。随后从转矩推导出在轴系中出现的应力。因此能够有利地在真实的轴系处且在机械设备运行中进行校准。

优选的是：在步骤b)中对于轴系的易于形成应力损伤的多个位置确定相互关系，在步骤c)中对于每个位置确定相应的最大的第一应力幅度，在步骤d)中对于每个位置确定相应的最大的第二应力幅度，并且在步骤g)中在如下情况下输出信号，即在达到最大的第二应力幅度中的一个时。因此能够有利地借助仅一个唯一的测量部位监控轴系的多个关键部位。在此，不同的位置处的最大的第一应力幅度能够是彼此相同的或不同的。也可行的是：对于多个位置确定最大的第三应力幅度，其中所述最大的第三应力幅度也能够是彼此相同的或不同的。

优选的是：在轴系上的测量部位设置在轴系的露出的部段的区域中，设置在轴系的测量技术可达到的部段的区域中和/或设置在以计算的方式确定的应力最大值的区域中。所述位置优选设置在轴承的、联轴器的和/或叶根的区域中。在此，有利的是如下位置，所述位置尤其易受应力损伤。优选地，在步骤a)中借助于有限元法以计算的方式确定固有频率和应力。

附图说明

下面，根据所附的示意图详细阐述根据本发明的方法。其示出：

图1示出具有四个以计算的方式确定的扭转模式的轴系的侧视图，

图2示出贯穿具有磁致伸缩的传感器的轴系的横截面图，和

图3示出示例的方法的流程图。

具体实施方式

如从图1中可见：机械设备1具有发电机3和至少一个涡轮机，其中发电机3和涡轮机设置在共同的轴系2上。机械设备1也能够具有多个轴系，其中该方法能够借助每个轴系执行。根据图1的机械设备具有第一涡轮机4、第二涡轮机5、第三涡轮机6和第四涡轮机21，所述涡轮机以所述顺序以距发电机3增加的间距设置在发电机3的轴向侧上，轴系2具有第一测量部位7、第二测量部位8、第三测量部位9、第四测量部位10和第五测量部位11，所述测量部位设置在轴系2的不同的且对于测量技术可到达的轴向位置。

图1同样示出以计算的方式确定的扭转振动模式。在此示出四个最低频率的扭转振动模式14至17，其中第一扭转振动模式14具有最低的固有频率，第二扭转振动模式15具有第二低的固有频率，第三扭转振动模式16具有第三低的固有频率并且第四扭转振动模式17具有第四低的固有频率。在此，四个固有频率低于轴系的转动频率的2.5倍或者电网频率的2.5倍，这根据这两个频率中的较大者来确定。每个扭转振动模式14至17通过相应的绘图描述，在所述绘图中在横坐标12上绘制轴系2的轴向位置，并且在纵坐标13上绘制轴系的旋转角。因为旋转角的梯度与机械应力成比例，所以能够通过形成旋转角的梯度以计算的方式确定机械应力。也可行的是：借助于有限元法确定机械应力。

在该方法中识别轴系2的至少一个易于形成应力损伤的位置。应力损伤能够是应力裂纹和/或强行断裂。所述位置例如能够位于轴承的、联轴器的和/或叶根的区域中。对于每个位置确定最大的第一应力幅度，其中所述最大的第一应力幅度选择成，使得其在机械设备正常运行中不被达到，其中在所述机械设备中不出现共振干扰。此外，最大的第一应力幅度选择成，使得在达到最大的第一应力幅度时在所述位置处尚未出现应力损伤。在此，最大的第一应力幅度对于全部扭转振动模式14至17是相同的。也可行的是：为所述位置确定最大的第三应力幅度，所述最大的第三应力幅度大于最大的第一应力幅度。在此，最大的第三应力幅度选择成，使得在达到最大的第三应力幅度时在轴系上尚未出现应力损伤。

根据以计算方式确定的应力，为每个扭转振动模式确定所述位置处的应力幅度和至少一个测量部位7至11处的应力幅度之间的相互关系，其中相互关系是比例。根据相互关系，能够为测量部位7至11确定最大的第二应力幅度，其中当在该位置处出现最大的第一应力幅度时，在测量部位7至11处出现最大的第二应力幅度。根据相互关系也能够为测量部位7至11确定最大的第四应力幅度，其中当在该位置处出现最大的第三应力幅度时，在测量部位7至11处出现最大的第四应力幅度。

轴系2的位于径向外部的表面的机械应力在每个测量部位7至11处分别借助至少一个磁致伸缩的传感器18来测量。出于冗余原因，在每个测量部位7至11处能够设有多个磁致伸缩的传感器。磁致伸缩的传感器18具有发射线圈，借助所述发射线圈产生磁场。轴系2的表面由磁场穿过。磁致伸缩的传感器18具有一个或多个接收线圈，所述接收线圈连同发射线圈和轴系2的被穿通的表面适当设置在磁路中，使得借此能够确定轴系2的表面的磁化率。由于维拉里效应，轴系2的磁化率与其机械应力相关。由磁致伸缩的传感器输出的信号在此与磁场的扭转应力成比例。如在图1可见，励磁线圈和接收线圈集成在磁致伸缩的传感器18的测量头19中。在测量头19和轴系2之间设置有气隙20，由此能够借助磁致伸缩的传感器18无接触地执行该方法。

在该方法中，借助于磁致伸缩的传感器18以时间分辨的方式测量机械应力。所测量的应力于是能够借助于带通滤波器来滤波，所述带通滤波器允许在扭转振动模式的固有频率周围设置的频率带通过。替选地可行的是：所测量的应力借助于傅里叶变换、尤其快速傅里叶变换来评估。一旦该被滤波的应力或者借助于傅里叶变换获得的应力幅度达到或超过最大的第二应力幅度，那么输出信号。对于固有频率彼此接近的情况，会需要设有带通滤波器，所述带通滤波器对于多个扭转振动模式允许固有频率通过。在该情况下，当被滤波的应力达到或超过多个扭转振动模式的最大的第二应力幅度中的最低的应力幅度时，就输出信号。对于设有最大的第四应力幅度的情况，能够在如下情况下关闭机械设备1：被滤波的应力达到或超过最大的第四应力幅度。

对于特定的扭转振动模式14至17可行的是：仅考虑单个的测量部位7至11。在此，能够考虑如下测量部位7至11，所述测量部位对于特定的扭转振动模式14至17具有以计算方式确定的最高的应力，以便实现高的信噪比。对此在图1中可行的是：对于每个扭转振动模式14至17识别如下测量部位7至11，所述测量部位具有以计算方式确定的最高的应力。在图1中，这例如对于第一扭转振动模式14是第三测量部位9，对于第二扭转振动模式15是第三测量部位9，对于第三扭转振动模式16是第二测量部位8和对于第四扭转振动模式17是第五测量部位11。

同样可行的是：在多个测量部位7至11处测量的应力用于识别其中轴系2发生振动的扭转振动模式14至17。对此，对于每个扭转振动模式14至17形成形式的计算比A_r1:A_r2:…:A_rn，其中A_rx是在第x测量部位处的以计算方式确定的应力幅度并且n是测量部位的数量。从由测量确定的应力幅度中形成形式的实验比A_e1:A_e2:…:A_en，其中A_ex是在第x测量部位处的由测量确定的应力幅度。通过比较计算比与实验比，即使当不同的扭转振动模式的固有频率彼此接近时，也能够单义地关联其中轴系2发生振动的扭转振动模式。

图3说明方法的流程图。在步骤a中执行转子动态计算，在所述计算中对于轴系2的至少一个扭转振动模式以计算的方式确定固有频率，并且以计算的方式确定轴系2的在扭转振动模式的振动周期期间出现的机械应力。在步骤b中确定三个极限值σ_STORE、σ_W和σ_A，其中σ_STORE<σ_W<σ_A，σ_W是最大的第二应力幅度，并且σ_A是最大的第四应力幅度。在此，例如可以选择σ_STORE＝0.5*σ_A并且σ_W＝0.75*σ_A。

在步骤c中，测量轴系2的应力并且在步骤d中示出所测量的应力。在步骤e中借助于带通滤波器对所测量的应力进行滤波，以便确定相应固有频率下的应力幅度。在步骤f中示出被滤波的应力幅度。

在步骤g中询问：被滤波的应力幅度是否超过极限值σ_STORE。如果是这种情况的话，那么在步骤h中存储所测量的应力。替选可行的是：以大的时间间隔持久地存储所测量的应力，并且在步骤h中以小的时间间隔存储所测量的应力。

在步骤i中询问：被滤波的应力幅度是否超过极限值σ_W。如果是这种情况的话，那么在步骤j中输出警告信号。在步骤k中询问：被滤波的应力幅度是否超过极限值σ_A。如果是这种情况的话，那么在步骤l中输出警报信号。警报信号能够引起：机械设备的操作者手动关闭所述机械设备。替选地，警报信号能够引起：机械设备的自动关闭。

尽管详细地通过优选的实施例详细阐明和描述本发明，但本发明不由于所公开的实例而受到限制并且能够由本领域技术人员从中推导出其他的变型形式，而没有偏离本发明的保护范围。